光热响应动态薄水层三维太阳能蒸发器实现高效水净化的创新研究

针对太阳能界面蒸发(SIE)技术中蒸发速率与长期稳定性难以兼顾的难题，研究人员通过3D结构设计和界面调控策略，构建了基于温度敏感型聚N-异丙基丙烯酰胺(PNIPAm)水凝胶/三聚氰胺泡沫(MF)/聚吡咯(PPy)的三维蒸发器(MNP)。该蒸发器在32°C临界温度(LCST)以上自发形成动态薄水层，实现6.23 kg m-2h?1(1太阳光)的超高蒸发速率，对高盐废水(20 wt% NaCl)和含染料/重金属污染物净化率超99%，成本仅0.26美元/片，为太阳能水处理规模化应用提供新范式。

　　

全球淡水资源危机日益严峻，传统海水淡化技术存在高能耗、依赖电力等问题。太阳能界面蒸发(SIE)技术因其绿色可持续特性成为研究热点，但如何突破水分子间强氢键作用导致的高蒸发焓限制，同时解决传统水凝胶蒸发器因过度溶胀或高温收缩引发的效率衰减问题，成为该领域亟待解决的科学难题。在此背景下，兰州大学的研究团队在《Separation and Purification Technology》发表创新成果，通过巧妙融合温度敏感型高分子与三维多孔骨架，开发出兼具高蒸发效率与长期稳定性的新型蒸发器。

研究团队主要采用浸渍-聚合法构建MF-PNIPAm-PPy(MNP)三维结构，结合扫描电子显微镜(SEM)和傅里叶变换红外光谱(FTIR)表征材料形貌，通过紫外-可见-近红外光谱(UV-vis-NIR)评估光吸收性能，并建立标准太阳光模拟系统测试蒸发速率。针对高盐废水净化实验采用20 wt% NaCl溶液进行10天耐久性验证。

材料与表征
通过将PNIPAm水凝胶与MF骨架复合，显著提升机械性能，SEM显示PPy纳米颗粒均匀负载形成微米级粗糙结构。UV-vis-NIR证实PPy层在250-2500 nm波段具有96.2%的平均吸收率，为高效光热转换奠定基础。

蒸发性能
温度敏感特性使蒸发器在32°C LCST时发生亲疏水转变，自发形成动态薄水层。1太阳光照射下蒸发速率达6.23 kg m^-2h^?1(能量效率234.6%)，2太阳光下提升至10.52 kg m^-2h^?1。MF骨架有效抑制PNIPAm相变导致的体积坍塌，维持稳定蒸发界面。

耐久性与净化能力
20 wt% NaCl溶液中连续运行80小时无盐结晶，压缩循环、超声处理和酸碱浸泡测试证实结构稳定性。对含铬(III)、钴(II)等重金属及罗丹明B、甲基橙等染料的废水净化率均超99%，硅油去除效果显著。

该研究通过LCST调控的薄水层形成机制与三维骨架支撑策略的协同作用，突破传统SIE技术的效率瓶颈。MF骨架的成本优势(0.26美元/片)与简单制备工艺，为工业化应用提供可能。研究不仅为高盐废水处理提供新方案，其动态界面调控思路对开发智能水处理材料具有普适性指导意义。Xiaoyan He和Xiaoquan Lu团队的工作标志着太阳能驱动水净化技术向实用化迈进的关键一步。